KR101234604B1 - 생체시료의 전자현미분석 관찰을 위한 크라이오 스테이지 - Google Patents

생체시료의 전자현미분석 관찰을 위한 크라이오 스테이지 Download PDF

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최윤정
이석훈
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Abstract

본 발명은 생체시료를 전자현미분석 방법으로 분석할 수 있는 전자현미경 관찰용 크라이오 스테이지에 관한 것으로서, (A) 중앙에 외부로 개방된 구조로 파여진 개방홈; 액화가스가 수용되는 공간으로서, 상기 개방홈을 둘러싸며 파여진 폐쇄형 ∪홈;을 포함하는 구조의 냉각부: (B) 상기 냉각부의 개방홈의 출구에 결합되는 몸체; 상기 몸체에서 개방홈의 내부로 확장되어 있고, 하기 시료장착부를 슬라이딩 가능하게 수용하는 시료통로; 상기 몸체와 시료장착부에 결합되어 시료장착부를 슬라이딩시키는 이송수단; 및 외부로부터의 구동력을 상기 이송수단에 전달하는 종동수단;을 포함하는, 상기 냉각부의 재질보다 열전도율이 낮은 재질의 조작부: (C) 상부에 시료홀더안착홈이 형성된 코어; 상기 코어의 외곽에 수직으로 돌출된, 상기코어의 재질보다 열전도율이 낮은 재질의 테두리; 및 상기 이송수단과 결합하는 연결홀;을 포함하며, 상기 조작부의 시료통로에 슬라이딩 가능하게 수용되고, 상기 이송수단의 구동에 의해 상기 개방홈을 왕복하는 시료장착부: 및 (D) 상기 시료장착부가 이송수단의 구동에 의해 개방홈의 내부로 이송되었을 때 상기 시료장착부의 코어저면이 안착되는 안착뭉치; 및 상기 안착뭉치와 냉각부를 탄성적으로 연결하는 연결판;을 포함하며 상기 냉각부의 개방홈에 장착되는 히트싱크부:를 포함하여 구성된다.
본 발명에 의하면 전자현미분석 관찰과정에서 전자빔에 의해 발생되는 열을 빠르게 제거하게 되므로, 종래 불가능했던 생체시료의 전자현미분석 관찰이 가능하게 된다.

Description

생체시료의 전자현미분석 관찰을 위한 크라이오 스테이지{Cryo stage for analysis of bio-sample by EPMA}
본 발명은 생체시료를 전자현미분석(Electron Probe Micro Analysis; EPMA) 방법으로 화학성분 분석할 수 있도록 하는 전자현미경 관찰용 크라이오 스테이지(cryo stage)에 관한 것이다.
전자총으로부터 방출된 가속전자빔이 잘 연마된 시료 표면에 충돌하면 시료로부터 원소별로 고유한 파장에너지를 갖는 특성선이 발생한다. 발생되는 특성선의 특성과 세기를 검출기로 측정하여 시료의 화학조성을 규명하는 분석법을 전자현미분석(Electron Probe Micro Analysis; EPMA)이라 한다.
전자현미분석은 공간분해능이 우수하여 미세입자의 분석에 유용할 뿐만 아니라 적은 시료로도 빠르고 정확한 정량분석이 가능하기 때문에 금속 등과 같은 다양한 무기물의 성분분석에 주로 이용되고 있다.
그러나 전자현미분석 방식에서는 고에너지의 전자빔이 시료에 조사되어 고열이 발생하게 되는데, 생체시료의 경우 고열에 의해 쉽게 탄화되므로 생체의 경우 세포나 조직의 무기원소를 분석하는 용도로 그 이용이 제한되고 있다.
따라서 전자현미분석을 통해 무기원소 뿐만 아니라 다양한 생체조직의 유기원소 성분의 정성정량분석을 할 수 있다면 생물학, 생화학, 의학 등의 분야의 연구에 큰 도움이 될 수 있을 것이다.
본 발명은 생체시료를 전자현미분석 방식으로 분석할 수 있도록 하는 크라이오 스테이지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, (A) 중앙에 외부로 개방된 구조로 파여진 개방홈; 액화가스(예를 들면, 액체질소; LN2)가 수용되는 공간으로서, 상기 개방홈을 둘러싸며 파여진 폐쇄형 ∪홈;을 포함하는 구조의 냉각부: (B) 상기 냉각부의 개방홈의 출구에 결합되는 몸체; 상기 몸체에서 개방홈의 내부로 확장되어 있고, 하기 시료장착부를 슬라이딩 가능하게 수용하는 시료통로; 상기 몸체와 시료장착부에 결합되어 시료장착부를 슬라이딩시키는 이송수단; 및 외부로부터의 구동력을 상기 이송수단에 전달하는 종동수단;을 포함하는, 상기 냉각부의 재질보다 열전도율이 낮은 재질의 조작부: (C) 상부에 시료홀더안착홈이 형성된 코어; 상기 코어의 외곽에 수직으로 돌출된 상기 코어의 재질보다 열전도율이 낮은 재질의 테두리; 및 상기 이송수단과 결합하는 연결홀;을 포함하며, 상기 조작부의 시료통로에 슬라이딩 가능하게 수용되고, 상기 이송수단의 구동에 의해 상기 개방홈을 왕복하는 시료장착부: 및 (D) 상기 시료장착부가 이송수단의 구동에 의해 개방홈의 내부로 이송되었을 때 상기 시료장착부의 코어저면이 안착되는 안착뭉치; 상기 안착뭉치와 냉각부를 탄성적으로 연결하는 연결판;을 포함하며 상기 냉각부의 개방홈에 장착되는 히트싱크부:를 포함하는 생체시료의 전자현미분석 관찰을 위한 크라이오 스테이지에 관한 것이다.
본 발명에서는 전자현미경 운용분야에서 통상적으로 사용하는 "크라이오(cryo)"라는 용어를 채용하였으나, 생체시료를 반드시 "냉동"한다는 의미는 아니며, 관찰에 사용하기 위하여 생체시료를 냉동하거나 냉각하는 것을 의미한다. 이하에서는 단순화하여 'cryo'를 '냉각'이라 표현하기로 한다. 따라서 본 발명에서 사용되는 '냉각'이란 냉각과 냉동을 포괄하는 개념이다.
이상과 같이 본 발명에 의한 크라이오 스테이지를 사용하면 전자현미분석 관찰과정에서 전자빔에 의해 발생되는 열을 빠르게 제거하게 되므로 생체시료의 표면이 타거나 열손상되어 노이즈가 발생하거나 시료관찰이 불가능하게 되는 현상을 방지할 수 있게 된다.
따라서 본 발명에 의하면, 종래 불가능했던 생체시료의 전자현미분석 관찰이 가능하게 됨으로써 생물학 관련 분야의 연구에 시간과 비용을 대폭 절감할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 의한 크라이오 스테이지의 제작예를 보여주는 사진으로 1a는 시료장착부가 조작부 내부에 있는 상태이고, 1b는 시료장착부가 슬라이딩-아웃되어 개방홈의 안쪽으로 이동된 상태를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 의한 크라이오 스테이지의 제조예에서 냉각부만을 보여주는 사진이다.
도 3은 본 발명에 의한 크라이오 스테이지의 제조예에서 조작부와 시료장착부가 결합된 상태를 보여주는 사진으로 3a와 3b는 각각 시료장착부가 슬라이딩-아웃된 상태를 아래 및 위에서 본 사진이다.
도 4는 본 발명에 의한 크라이오 스테이지의 제조예에서 히트싱크부의 사진이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 또한 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.
전술한 바와 같이 본 발명은 크게 냉각부(10), 조작부(20), 시료장착부(30) 및 히트싱크부(40)로 구성되는 크라이오 스테이지이다. 본 발명에 의한 크라이오 스테이지의 제작예 사진을 도면으로 첨부하였다.
본 발명에서 상기 냉각부(10)는 시료가 장착되고 궁극적으로 시료를 냉각하기 위한 냉각매체(예를 들면 액체질소)가 담겨지는 공간으로서, 중앙에 외부로 개방된 구조로 파여져 외부입구부분에 하기 조작부(20)가 고정결합되고 이를 통해 하기 시료장착부(30)가 출입되는 개방홈(11)과, 냉각매체인 액화가스가 수용되는 공간으로서, 상기 개방홈(11)을 둘러싸며 파여진 폐쇄형 U홈(12);을 포함한다. 냉각부(10)는 냉각원 기능을 하기 때문에 구조의 열전도율이 높은 재질로 제작된다. 한편, 냉각매체(액화가스, 주로 액체질소)를 상기 U홈(12)에 붓는 작업은 용이하지만 시료관찰 후 남아있는 냉각매체를 제거하기가 쉽지 않다. 따라서 본 발명의 제작예에서는 상기 U홈(12)의 바닥에 외부로 관통된 배출구(13)를 형성하고 캡(14)을 추가하여 상기 배출구(13)를 자유롭게 개방/폐쇄할 수 있도록 하였다.
상기 시료장착부(30)는 생체시료가 담긴 시료홀더가 장착되는 부분으로서, 상부에 시료홀더안착홈(도면부호 생략)이 형성된 열전도율이 높은 재질의 코어(31)와, 상기 코어(31)의 측면외곽을 감싸고 있어 측면으로부터의 열전달을 차단하는, 상기 코어의 재질보다 열전도율이 낮은 재질의 테두리(32) 및 하기 조작부(20)의 이송수단(23)과 결합하는 연결홀(33);을 포함하는 구조이다. 시료장착부(30)는 상기 조작부(20)의 시료통로에 슬라이딩 가능하게 수용되고, 상기 이송수단(23)의 구동에 의해 상기 냉각부(10)의 개방홈(11)으로 입출하게 된다.
본 발명에서 상기 조작부(20)는 시료장착부(30)를 냉각부(10)의 개방홈(11) 안쪽으로 입출시키는 기능을 하는 부분이며, 상기 냉각부(10)의 개방홈(11)의 출구에 결합되는 몸체(21), 상기 몸체(21)에서 개방홈(11)의 내부로 확장되어 있고, 상기 시료장착부(30)를 슬라이딩 가능하게 수용하는 시료통로(22), 상기 몸체(21)와 시료장착부(30)에 결합되어 시료장착부(30)를 슬라이딩시키는 이송수단(23) 및 외부로부터의 구동력을 상기 이송수단(23)에 전달하는 종동수단(24);을 포함하는 부분이다. 상기 조작부(20)는 외부로부터 상기 코어(31)로 열이 전달되는 것을 방지할 수 있도록 냉각부의 재질보다 열전도율이 낮은 재질인 것이 바람직하다.
상기 조작부(20)의 이송수단(23)은 몸체(21)를 관통하여 제자리 회전이 가능하도록 결합되어 있는 부분나사봉이며, 상기 시료장착부(30)의 연결홀(미도시, 이동수단이 관통되는 홀로 도면에서는 식별 안됨) 내면에는 상기 나사봉에 대응되는 나사산이 형성되어 이송수단(23)의 말단이 상기 시료장착부(30)의 연결홀과 나사결합되도록 하는 것이 바람직하다. 또한 상기 조작부(20)의 이송수단(23)의 외부측 말단에는 직접 종동수단(24)이 결합되거나 하나 또는 둘 이상의 전동(傳動)수단(도면부호 생략)에 의해 간접적으로 종동수단(24)에 결합될 수 있다. 본 발명의 제작예에서는 이송수단(23)을 상기 몸체(21)를 관통하여 몸체(21)와 헛회전 결합시키고, 이송수단(23)의 시료통로(22)측 부분에 나사산을 형성함과 동시에 상기 시료장착부(30)에 대응되는 나사홈을 형성하고 이를 나사결합시킨 구조를 예시적으로 제작하였다. 이때 몸체(21) 외부로 노출된 이송수단(23)의 말단을 상기 종동수단(24)과 연동되도록 하였다. 따라서 외부의 구동력이 종동수단(24)→이송수단(23)으로 전달되면 이송수단(23)이 몸체(21)에 대하여 제자리 회전하면 회전방향에 따라 나사결합된 시료장착부(30)가 시료통로(22)를 왕복하게 된다.
상기 히트싱크부(40)는 상기 냉각부(10)의 개방홈(11)에 장착되어 시료장착부(30)가 조작부(20)(의 이송수단(23))의 구동에 의해 냉각부(10)에 장입되었을 때 냉각부(10)의 냉기가 시료장착부(30)로 전달되도록 하는 [정확하게는 시료장착부(30)의 열이 냉각부(10)로 전달되도록 하는] 역할을 하는 부분이다. 히트싱크부(40)는 상기 시료장착부(30)가 개방홈(11)의 내부로 이송되었을 때 상기 시료장착부(30)의 코어(31)저면이 안착되는 [코어(31)저면과 면접하는] 열전도율이 높은 재질의 안착뭉치(41) 및 상기 안착뭉치(41)와 냉각부(10)를 탄성적으로 연결하는 열전도율이 높은 재질의 연결판(42);을 포함하는 구조로 되어 있다. 본 발명의 제작예에서는 열전도율이 우수한 구리판을 다수 적층하여 연결판(42)으로 사용하였다.
한편, 히트싱크부(40)의 안착뭉치(41) 하면에는 돌출된 삽입머리(43)와 삽입머리(43)를 탄성적으로 상하이동하게 하는 스프링(44)을 추가하고, 냉각부(10)의 개방홈(11) 바닥에는 상기 삽입머리(43)에 대응되는 삽입홈(15)을 형성하여 안착뭉치(41)가 정확한 위치에 고정되면서 코어(31) 저면과 탄성적으로 잘 면접할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 열전도율이 높은 재질로는 금속 특히 구리를 선택할 수 있고, 열전도율이 낮은 재질로는 플라스틱을 활용할 수 있다.
본 발명에 의한 크라이오 스테이지의 사용방법과 그 효과를 설명한다.
① 크라이오 스테이지의 각 부품을 조립/장착한다. ② 시료장착부(30)를 슬라이딩-아웃한 상태에서 시료홀더장착홈에 생체시료가 담긴 시료홀더를 안착시킨 다음 시료장착부(30)를 슬라이딩-인하여 시료가 조작부(20)의 시료통로(22) 내에 보관되도록 한다. ③ 캡(14)으로 배출구(13)를 막은 다음 U홈(12)에 액체질소를 붓고 소정시간 방치하여 냉각부(10)가 충분히 냉각되도록 한다. ④ 캡(14)을 열어 남은 액체질소를 방출한다. ①~④단계는 외부에서 수행될 수도 있고, 전자현미경 본체에 결합되어 있는 에어락 내에서 수행될 수도 있다. ⑤ 냉각이 완료된 크라이오 스테이지를 에어락에 넣고 에어락 도어를 닫는다. ⑥ 에어락을 소정의 정도까지 진공화한 다음 [전자현미경 본체와 에어락 사이의] 본체도어를 개방한다. ⑦ 통상의 스테이지 이송봉(도시 생략)으로 크라이오 스테이지를 전자현미경의 스테이지안착부까지 밀어넣는다. ⑧ 스테이지 이송봉으로 종동수단(24)을 회전시켜 궁극적으로 시료장착부(30)를 슬라이딩-아웃한다. ⑨ 생체시료를 전자현미분석 관찰한다.
전자현미분석 관찰시 시료의 표면에 물이나 얼음이 있으면 노이즈가 발생하여 정교한 데이터를 얻을 수 없다. 본 발명에 의하면 단계②에서 시료는 모두 열전도율이 낮은 재질(주로 플라스틱 류)에 의해 외부와 차단되므로 단계③에서 급속냉각에 의해 시료의 표면에 물방울 또는 얼음이 만들어지는 현상이 방지된다.
단계⑧에서, 시료장착부(30)가 슬라이딩-아웃되면 시료장착부(30)가 히트싱크부(40)의 안착뭉치(41)위에 안착되고, 시료장착부(30)의 하부에 노출된 열전도가 잘되는 재질(금속, 특히 구리)의 코어(31)가 노출되어 안착뭉치(41)와 면접촉하게 된다. 이 상태에서 시료의 열 또는 전자현미분석 관찰과정에서 전자빔에 의해 발생되는 열이 시료홀더→시료장착부(30)의 코어(31)→히트싱크부(40)의 안착뭉치(41)→연결판(42)을 거쳐 냉각상태의 냉각부(10)로 급속하게 이동된다.
이상과 같이 본 발명에 의한 크라이오 스테이지를 사용하면 전자현미분석 관찰과정에서 전자빔에 의해 발생되는 열을 빠르게 제거하게 되므로 종래 관찰이 거의 불가능했던 생체시료를 전자현미분석 방식으로 관찰할 수 있게 된다.
10. 냉각부
11. 개방홈 12. U홈 13. 배출구
14. 캡 15. 삽입홈
20. 조작부
21. 몸체 22. 시료통로 23. 이송수단
24. 종동수단
30. 시료장착부
31. 코어 32. 테두리
40. 히트싱크부
41. 안착뭉치 42. 연결판 43. 삽입머리
44. 스프링

Claims (5)

  1. (A) 중앙에 외부로 개방된 구조로 파여진 개방홈(11);
    액화가스가 수용되는 공간으로서, 상기 개방홈(11)을 둘러싸며 파여진 폐쇄형 U홈(12);을 포함하는 구조의 냉각부(10):
    (B) 상기 냉각부(10)의 개방홈(11)의 출구에 결합되는 몸체(21);
    상기 몸체(21)에서 개방홈(11)의 내부로 확장되어 있고, 하기 시료장착부(30)를 슬라이딩 가능하게 수용하는 시료통로(22);
    상기 몸체(21)와 시료장착부(30)에 결합되어 시료장착부(30)를 슬라이딩시키는 이송수단(23);
    외부로부터의 구동력을 상기 이송수단(23)에 전달하는 종동수단(24);을 포함하는, 상기 냉각부의 재질보다 열전도율이 낮은 재질의 조작부(20):
    (C) 상부에 시료홀더안착홈이 형성된 코어(31);
    상기 코어(31)의 외곽에 수직으로 돌출된, 상기 코어의 재질보다 열전도율이 낮은 재질의 테두리(32);
    상기 이송수단(23)과 결합하는 연결홀;을 포함하며, 상기 조작부(20)의 시료통로(22)에 슬라이딩 가능하게 수용되고, 상기 이송수단(23)의 구동에 의해 상기 개방홈(11)을 왕복하는 시료장착부(30):
    (D) 상기 시료장착부(30)가 이송수단(23)의 구동에 의해 개방홈(11)의 내부로 이송되었을 때 상기 시료장착부(30)의 코어(31)저면이 안착되는 안착뭉치(41);
    상기 안착뭉치(41)와 냉각부(10)를 탄성적으로 연결하는 연결판(42);을 포함하며 상기 냉각부(10)의 개방홈(11)에 장착되는 히트싱크부(40):를
    포함하는 것을 특징으로 하는 생체시료의 전자현미분석 관찰을 위한 크라이오 스테이지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조작부(20)의 이송수단(23)은 몸체(21)를 관통하여 제자리회전 가능하게 결합되어 있는 부분나사봉이며,
    상기 시료장착부(30)의 연결홀 내면에는 상기 나사봉에 대응되는 나사산이 형성된 것을 특징으로 하는 생체시료의 전자현미분석 관찰을 위한 크라이오 스테이지.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 조작부(20)의 이송수단(23)의 외부측 말단에 직접 종동수단(24)이 결합되어 있거나 하나 또는 둘 이상의 전동수단에 의해 간접적으로 종동수단(24)에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 생체시료의 전자현미분석 관찰을 위한 크라이오 스테이지.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    히트싱크부(40)의 안착뭉치(41) 하면에는 돌출된 삽입머리(43)와, 상기 삽입머리(43)를 탄성적으로 상하이동하게 하는 스프링(44)이 추가되어 있고,
    상기 삽입머리(43)에 대응되는 냉각부(10)의 개방홈(11) 바닥에는 삽입홈(15)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 생체시료의 전자현미분석 관찰을 위한 크라이오 스테이지.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 냉각부, 코어, 안착뭉치 및 연결판의 재질은 구리이며,
    상기 조작부 및 테두리의 재질은 플라스틱인 것을 특징으로 하는 생체시료의 전자현미분석 관찰을 위한 크라이오 스테이지.
KR1020110098420A 2011-09-28 2011-09-28 생체시료의 전자현미분석 관찰을 위한 크라이오 스테이지 KR101234604B1 (ko)

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